二维材料刻蚀

二维材料图形化

低维材料刻蚀指对二维材料（如石墨烯、二硫化钼等）和一维材料（如纳米线、纳米管等）进行刻蚀加工的过程。低维材料刻蚀的目的是制备出具有特定形状和尺寸的纳米结构，以实现对材料性质和器件性能的调控和优化。低维材料刻蚀一般采用化学刻蚀方法。它是利用化学反应对材料进行加工，常用的化学刻蚀方法包括湿法刻蚀和干法刻蚀。低维材料刻蚀的难点主要包括：1. 刻蚀选择：不同的低维材料对刻蚀条件的要求不同，需要根据具体材料的性质选择合适的刻蚀条件，如刻蚀气体、功率、时间等。2. 刻蚀质量：低维材料的刻蚀质量直接影响其性能和应用，需要控制刻蚀速率和深度，避免过度刻蚀或刻蚀不足。3. 刻蚀均匀性：低维材料的刻蚀均匀性对于制备高质量的器件至关重要，需要控制刻蚀过程中的温度、气体流量和压力等参数，以保证刻蚀均匀性。4. 刻蚀后处理：刻蚀后需要对样品进行清洗和处理，以去除刻蚀产物和残留的刻蚀气体，保证样品的表面质量和稳定性。

二维电子薄膜材料 (2D Electronic Materials) 是指主要以共价键结合形成的单个或者少数原子层厚度的新型二维材料。

      主要包含：

      1. 石墨烯(Graphene)、氮化硼(h-BN)；

      2. 过渡金属氧化物；

     3. 过渡金属硫系材料(TMCs)，MX₂（M=Mo, W, Re, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Pt, Pd, Fe; X=S, Se, Te)，常见如硫化钼(MoS₂)、硫化钨(WS₂)等；

      4. 部分III/IV/V族硫系材料等。

常见典型二维（2D）材料体系

      早期对二维电子薄膜材料的研究特别是对石墨烯材料的研究主要集中在二维材料的制备方法上，如机械剥离法、还原法、沉积法等等，以及材料特性方面的研究。随着大尺寸二维薄膜材料制备的不断突破，人们开始将目光转向器件的制备上。二维薄膜材料的减层减薄与图形化是二维器件制备的关键，传统的半导体等离子体干法刻蚀方式在二维材料的减层减薄与图形化刻蚀上存在如下两个致命缺点：

      1. 过快的刻蚀速率，无法满足 2D 材料原子层(亚纳米级)级的精确稳定刻蚀；

      2. 高能离子轰击对 2D 材料结构破坏引起材料缺陷；

二维材料专用刻蚀机应该具备的特点：

        1.输出功率控制在毫瓦量级；

        2.最低起辉功率控制在5W以下；

        3.逐层减层刻蚀控制，刻蚀速率可精确控制0.3~10Layer/min

        4. 轰击样片离子能量可低至 10 eV以下

二维材料刻蚀解决方案 - SHL 100μ/200μ-RIE

      针对上述二维材料图形化的应用问题，北京三和联科技有限公司基于微等离子体技术(μ-plasma)开发了 SHL 100μ / 200μ-RIE 系列机台，用于石墨烯等二维材料的减层刻蚀与图形化刻蚀，图 2 所示为二维材料刻蚀机台外观。

SHL 100μ / 200μ-RIE

     二维材料刻蚀机台主要应用：

       1. 2D 材料减层刻蚀，制备单层或少层 2D 材料样品

       2. 2D 材料图形刻蚀，制备 2D 材料器件

       3. 2D 材料改型处理

     二维材料刻蚀机台核心性能指标：

      1. 可处理最大四英寸/八英寸样片及以下小尺寸样片；

      2. 极微弱等离子体刻蚀：可实现低至 3 W（@100mm电极）射频（@13.56 MHz）工艺功率，功率密度可低至 38 mW/cm²，输出功率精度小于 0.1 W；

      3. 轰击样片离子能量可低至 10 eV；

      4. 可实现 0.1 layer/min ~ 1 layer/min的稳定精确原子层刻蚀；

     二维材料刻蚀机台主要配置：

      1. 可配置 3 ~ 8 路工艺气体，数字控制金属密封MFC控制；

      2. 采用半导体级6061铝材作为工艺腔室材料，消除不锈钢材料中杂质元素对样片的污染；

      3. 可配置Load-Lock腔，工艺腔本底真空可达到 4 x 10^-4 Pa；

      4. 全自动工艺流程控制，分级用户登录管理，全面工艺数据与机台状态数据实时记录，Recipe工艺库管理与调用，部件生命周期管理与故障自检。

     二维材料刻蚀机台图形化结果：

SHL100μ-RIE，38 mW/cm²，10s: 少层二硫化钼flake表面残留物清洗。来自中南大学孙键-刘晓迟团队。

SHL100μ-RIE，38 mW/cm², 10s: Clean residue on the surface of fewer layers flaked MoS₂. 

From Sun Jian &  Liu Xiaochi Team, School of Physics and Electronics of Central South University. 

SHL100μ-RIE，51 mW/cm²，3s: 二硫化钼单层刻蚀。来自中南大学孙键-刘晓迟团队

SHL100μ-RIE, 51 mW/cm², 3s: Etch MoS₂ layer-by-layer. 

From Sun Jian &  Liu Xiaochi Team, School of Physics and Electronics of Central South University.

SHL100μ-RIE，0.5 W/cm²: 石墨烯逐层刻蚀。来自中南大学孙键-刘晓迟团队。

SHL100μ-RIE, 0.5 W/cm²: Etch Graphene layer-by-layer. 

From Sun Jian &  Liu Xiaochi Team, School of Physics and Electronics of Central South University.

SHL100μ-RIE，140 mW/cm²: 硒化钨p型掺杂。来自中南大学孙键-刘晓迟团队。

SHL100μ-RIE, 140 mW/cm²: WSe₂ p-Type doping. 

From Sun Jian &  Liu Xiaochi Team, School of Physics and Electronics of Central South University.

SHL100μ-RIE，0.5 W/cm²: 石墨烯逐层刻蚀。来自中南大学孙键-刘晓迟团队

SHL100μ-RIE, 0.5 W/cm²: Etch Graphene layer-by-layer. 

From Sun Jian &  Liu Xiaochi Team, School of Physics and Electronics of Central South University.